鍋爐受熱面鋼材離子硼鉬共滲后耐磨性能試驗(yàn)研究

尹祥德，趙憲萍

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090)

燃煤鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，煙氣中含有的灰粒子和少量未燃燼碳對(duì)受熱面的高溫沖蝕磨損是造成鍋爐“四管”爆漏停爐的主要原因之一，占到鍋爐總事故停爐時(shí)間的50% ～75%，而更換損壞管路的費(fèi)用高達(dá)產(chǎn)品生產(chǎn)成本的 54%左右［1，2］，這嚴(yán)重影響了電廠(chǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性.因此，如何提高鍋爐受熱面的耐沖蝕磨損性能，延長(zhǎng)其使用壽命是行業(yè)內(nèi)亟待解決的問(wèn)題.

目前，國(guó)內(nèi)外提高材料耐磨損性能比較有效的方法是采用表面強(qiáng)化處理技術(shù)，如表面噴涂、熱處理和表面滲鍍等［3-5］.離子滲是滲鍍工藝中的一種，具有很多優(yōu)點(diǎn):如滲層質(zhì)量高、工件變形小、滲速快、生產(chǎn)周期短等.在對(duì)工件進(jìn)行滲硼過(guò)程中，硼與基體中的鐵可形成單相型硼化物Fe2B或雙相型硼化物FeB+Fe2B，它們都有較小的摩擦系數(shù)和較高的硬度，可以提高試件耐磨損性能［4］，但是這兩種硼化物的脆性比較大，耐沖擊性差，容易剝落.而鉬與碳形成的MoC和Mo2C以及硼鉬之間可能形成的金屬陶瓷Mo2B3都有較高的硬度和較好的耐磨性，它們分布在滲層中，對(duì)硼鐵化合物的脆性會(huì)有一定的影響.本試驗(yàn)選取12Cr1MoV合金鋼(珠光體熱強(qiáng)鋼，是電廠(chǎng)低溫過(guò)熱器和再熱器的常用鋼)為試驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行離子硼鉬共滲處理后進(jìn)行熱態(tài)飛灰沖蝕磨損試驗(yàn)，以研究其耐磨損性能是否得到提高.

1 試件的處理及熱態(tài)飛灰沖蝕磨損試驗(yàn)

1.1 試件離子硼鉬共滲處理

試件材料為12Cr1MoV合金鋼，試件尺寸為φ50 mm×4 mm圓片，委托某大學(xué)材料研究所對(duì)其進(jìn)行離子硼鉬共滲處理.

1.2 熱態(tài)飛灰沖蝕磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)在專(zhuān)門(mén)搭建的熱態(tài)飛灰磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行.試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

試驗(yàn)過(guò)程如下:采用壓縮空氣流經(jīng)壓力表和流量計(jì)進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)，然后進(jìn)入預(yù)熱段加熱后進(jìn)入混合室.稱(chēng)量過(guò)的試驗(yàn)用灰經(jīng)灰斗下面的蝶閥控制進(jìn)入混合室的灰量.給灰器采用葉輪式給料，通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制葉輪的轉(zhuǎn)速.下落的灰和預(yù)熱后的空氣在混合室混合后進(jìn)入試驗(yàn)氣流的加速段，在經(jīng)過(guò)加速段過(guò)程中，混合氣體在電爐加熱條件下被加熱至試驗(yàn)需要的溫度，進(jìn)入試驗(yàn)段以30°沖角沖擊試件.然后，混合氣體進(jìn)入水冷沉降式除塵器，再經(jīng)布袋除塵器后排向大氣.試件由專(zhuān)門(mén)的加熱爐加熱至所需工況溫度.

圖1 熱態(tài)飛灰沖蝕磨損試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)工況

氣流速度為80 m/s;試件編號(hào)分別為 N7，N8，N9，N10;試驗(yàn)溫度分別為300 ℃，350 ℃，400℃，450℃;沖刷角度為30°;試驗(yàn)用灰取自某電廠(chǎng)，其平均粒徑70.38 μm，每個(gè)工況用灰2 kg.

2 試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖2為12Cr1MoV硼鉬共滲處理前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較.由圖2可知，經(jīng)離子硼鉬共滲處理后的12Cr1MoV，其磨損規(guī)律仍呈現(xiàn)熱態(tài)規(guī)律，即其質(zhì)量相對(duì)磨損量隨溫度的升高先減小而后增大.試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式非線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合方法進(jìn)行處理.

圖2 12Cr1MoV硼鉬共滲處理前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

2.1 多項(xiàng)式非線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式非線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合處理，其基本數(shù)學(xué)模型為［6］:

a0，a1，a2，a3，a4所求回歸系數(shù).

用 x，y，z分別代替 Ws，t，ΔI，則式(1)可變?yōu)?

利用最小二乘法的原理處理相對(duì)磨損量計(jì)算式，用最小二乘法來(lái)估計(jì)式(2)中的參數(shù)a0～a5.若b0～b5分別為a0～a5的最小二乘法估計(jì)量，那么可得到多項(xiàng)式非線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合方程:

根據(jù)最小二乘法原理，利用MATLAB軟件編寫(xiě)程序?qū)M合方程中的系數(shù)b0～b5進(jìn)行求解得出:

因此，得到硼鉬共滲處理后的12Cr1MoV合金鋼在300～450℃熱態(tài)飛灰沖蝕磨損的擬合方程為:

多項(xiàng)式非線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合回歸曲線(xiàn)為圖2中曲線(xiàn)1.

2.2 實(shí)際粒子速度Ws的確定

試驗(yàn)過(guò)程在氣固兩相流體中進(jìn)行，根據(jù)兩相流理論推導(dǎo)，其粒子速度的計(jì)算如下［7］:

式中:Wa流速度，m/s;

Wg子沉降速度m/s;

ρs粒子密度;

ρa(bǔ)流密度.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

為了知道經(jīng)硼鉬共滲處理后的12Cr1MoV合金鋼耐磨損性能是否得到提高，將試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)1與前期做過(guò)的未經(jīng)任何處理的12Cr1MoV合金鋼的熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)2［7］進(jìn)行比較(見(jiàn)圖2)，結(jié)果表明:在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，經(jīng)硼鉬共滲處理后，其耐磨損性能有明顯提高，質(zhì)量相對(duì)磨損量明顯降低;曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)2的變化趨勢(shì)基本相同，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，其質(zhì)量相對(duì)磨損量隨溫度的升高先減小而后增大，在大約350～360℃存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn).

試驗(yàn)后的試件使用電鏡掃描(SEM)和輝光放電光譜分析儀進(jìn)行滲層分析，硼鉬共滲層為致密，其與基體的界面呈直線(xiàn)狀的白亮層，如圖3所示.虛線(xiàn)上方為滲層，該滲層有較高的硬度和較小的摩擦系數(shù)，因此該滲層的耐磨性能較好［4，5］.

圖3 350℃試件試驗(yàn)后晶相照片(×90)

滲層厚度及滲層中硼、鉬元素的質(zhì)量含量見(jiàn)圖4和圖5.由圖4和圖5可知，硼、鉬元素的組成及含量對(duì)滲層的耐沖蝕磨損性能有較大的影響，滲層越厚，含硼、鉬元素越多，滲層的耐磨性能越好.

圖4 滲層含鉬量隨深度變化示意

圖5 滲層含硼量隨深度變化示意

450℃時(shí)(N10)，試件的質(zhì)量相對(duì)磨損量較大的兩個(gè)主要原因:一是試件表面滲層中的硼鉬元素含量比較低;二是試件經(jīng)離子硼鉬共滲處理后，可能造成其耐450℃以上高溫的沖蝕磨損性能有所下降.因此，離子硼鉬共滲方法在減少鍋爐飛灰沖蝕磨損的應(yīng)用方面還需作進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

(1)12Cr1MoV合金鋼經(jīng)離子硼鉬共滲處理后，在300～450℃的耐熱態(tài)飛灰沖蝕磨損性能有明顯提高，其相對(duì)磨損量隨溫度的升高先減小后增大，在350～360℃存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn);

(2)滲層厚度與滲層成分對(duì)相對(duì)磨損量的影響比較大，滲層越厚，滲層中硼鉬元素含量越高，耐飛灰沖蝕磨損性能越好;

(3)沖蝕磨損試驗(yàn)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)表面滲層有脫落現(xiàn)象，說(shuō)明鉬元素及其化合物的存在對(duì)滲層中硼鐵化合物的脆性有所改變;

(4)離子硼鉬共滲方法可以提高一定的耐磨性，但在實(shí)際中應(yīng)用，還需作進(jìn)一步研究.

［1］HIDALGO V Higuera，VARELA J Belzunce，MENENDEZ A Carriles，et al.High temperature erosion wear of flame and plasma-sprayed Nickel-chromium coatings undersimulated coal-fired boiler atmospheres［J］.Wear，2001，(3):214-222.

［2］HIDALGO V Higuera，VARELA J Belzunce，MENENDEZ A Carriles，et al.A comparative study of high-temperature erosion wear of plasmasprayed NiCrBSiFe and WC-NiCrBSiFe coatings under simulated coal-fired boiler conditions［J］.Tribology International，2001，34(2):161-169.

［3］呂萍，郭雷，趙憲萍，等.碳-氮共滲對(duì)20碳鋼飛灰磨損性能影響的試驗(yàn)研究［J］.熱力發(fā)電，2007，(4):97-99.

［4］趙文軫.材料表面工程導(dǎo)論［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001:111-125.

［5］潘鄰.表面改性熱處理技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:227-270.

［6］趙憲萍，徐開(kāi)義，孫家慶.電站鍋爐中受熱面溫度對(duì)灰磨損影響規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，11(3):18-25.

［7］趙憲萍，孫堅(jiān)榮.12Cr1MoV合金鋼熱態(tài)飛灰沖刷磨損性能的試驗(yàn)研究［J］.熱能與動(dòng)力工程，2000，89(15):502-505.